第4章 触发电路与驱动电路

第四章触发电路与驱动电路

第一节

对触发电路的要求及简易触发电路介绍

第二节单结晶体管触发电路

第三节同步电压为锯齿波得触发电路1第四章触发电路与驱动电路■相控电路◆晶闸管可控整流电路，通过控制触发角a的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小。◆采用晶闸管相控方式时的交流电力变换电路和交交变频电路（第七章）。■相控电路的驱动控制

◆为保证相控电路正常工作，很重要的是应保证按触发角a的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。

◆晶闸管相控电路，习惯称为触发电路。■大、中功率的变流器广泛应用的是晶体管触发电路，其中以同步信号为锯齿波的触发电路应用最多。2１.触发信号要有足够的功率第一节对触发电路的要求及简易触发电路介绍一、晶闸管对触发电路的要求触发信号常采用脉冲形式，晶闸管对触发电路的基本要求有如下几条：为使晶闸管可靠触发，触发电路提供的触发电压和电流必须大于晶闸管产品参数提供的门极触发电压与触发电流值，即必须保证具有足够的触发功率。一般要在触发电路接到晶闸管控制极时，输出脉冲的幅度为4～10V。2.触发脉冲必须与主回路电源电压保持同步要求晶闸管在每个周期都在相同的相位上触发，否则输出电压的波形为非周期性，造成输出电压平均值不稳定。3第一节对触发电路的要求及简易触发电路介绍３.触发脉冲要有一定的宽度，前沿要陡触发脉冲要有足够的宽度，对于电阻性负载电路，一般要求脉冲宽度大于10μs；触发脉冲的前沿要陡，以保证触发时间准确，一般要求前沿时间小于10μs。理想的脉冲为强触发脉冲。4.触发脉冲的移相范围应能满足主电路要求例如单相全控桥电阻负载要求触发脉冲移相范围为180°，而电感性负载（不接续流二极管）要求移相范围为90°。IIMt1t2t3t4图—理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1~t2

脉冲前沿上升时间（<1

s）t1~t3

强脉宽度IM

强脉冲幅值（3IGT~5IGT）t1~t4

脉冲宽度I

脉冲平顶幅值（1.5IGT~2IGT）4第一节对触发电路的要求及简易触发电路介绍二、简易触发电路

在负载功率较小，控制精度要求不高时，常采用简易触发电路。1.简单移相触发电路通过改变电阻RP的阻值，改变门极电流上升到IG所需的时间，即改变晶闸管在一个周期中开始导通的时刻（即实现了移相触发），从而改变了负载Rd上的电压值。5第一节对触发电路的要求及简易触发电路介绍2.阻容移相触发电路电路利用电容C充电延时触发来实现移相的。改变电阻RP的阻值可以改变反向充电的时间常数，从而改变uC上升到UG的时间，实现移相触发。6第一节对触发电路的要求及简易触发电路介绍3.数字集成块触发目前应用较多的TTL、CMOS等数字集成电路，因其输出电流较小，常用于触发灵敏度高的晶闸管。右图中加入晶体管V1起着驱动作用，为晶闸管VT提供足够的门极触发电流，可用于触发普通晶闸管。7第二节单结晶体管触发电路一、单结晶体管的结构

如下图，单结晶体管是在一块高电阻率的N型硅片上，引出两个电极，并在两电极中掺入P型杂质，形成一个PN结，所以称之为单结晶体管。但有两个基极，故又称“双基极管”。图4-5单结晶体管（a）内部结构（b）等效电路（c）符号（d）管脚排列（a）（b）（c）（d）8二、单结晶体管的伏安特性Ie=f(Ue)S断开时，Ibb为零，得到曲线①与二极管正向伏安特性相近。截止区——aP段

Ue<UA时，PN结反偏，Ie<0

Ue=UA时，PN结零偏，Ie=0，对应b点

Ue=hUbb+UD，PN结导通，对应峰点P。第二节单结晶体管触发电路9负阻区——PV段形成正反馈可见，Ue减小而Ie增大，动态电阻Δreb1=ΔUe/ΔIe为负值，呈现负阻特性，图中PV段为负阻区，V点为谷点。饱和区——VN段在谷点V之后恢复正阻特性，Ue随Ie的增加而增大，进入饱和区。显然谷点电压四维持单结管导通导通的最小电压，一旦Ue<UV，晶体管截止。第二节单结晶体管触发电路10第二节单结晶体管触发电路三、单结晶体管自激振荡电路单结晶体管组成的自激振荡电路，可以产生频率可变的脉冲。加上电源U后，对电容进行充电，uc<UP时，单结管截止。

uc=UP时，单结管饱和导通，电阻R1上输出一个脉冲电压。放电至uc=UV甚至更小时，单结管导通转为截止，R1上的脉冲电压结束，电容C又开始充电，单结管又导通，如此循环。重复形成振荡，在R1上便得到一系列的脉冲电压ug。11第二节单结晶体管触发电路电路的振荡频率近似为调节Re，即可调节振荡频率。电容电路的放电时间常数（电阻R1）决定了输出脉冲电压ug的宽度。

其中η

=0.3~0.9为单结晶体管的分压比12第二节单结晶体管触发电路四、单结晶体管同步触发电路下图为单相半控桥单结晶体管触发电路。同步电路包括：变压器、整流桥、稳压管。同时一次侧接主电路变压器二次侧经整流、稳压削波后作为单结管触发电路的电源。13每半个周期电容C充放电不止一次，晶闸管只由第一个脉冲触发导通，后面脉冲不起作用。改变Re，可改变电容充电速度，从而调节a角。可将触发脉冲同时送到两个晶闸管VT1、VT2的门极，保证两个晶闸管轮流导通，又简化电路。第二节单结晶体管触发电路14第二节单结晶体管触发电路实际中的实用电路通过脉冲变压器输出，实现电气隔离。用晶体管代替可调电阻Re，实现自动移相利用这样的三相交流电，保证电路先给C3充电，再触发VT1。用VT1将触发脉冲放大，放大后的脉冲再输出去触发大电流晶闸管。15第三节同步电压为锯齿波的触发电路 在电流容量较大、要求较高的晶闸管装置中，常采用由晶闸管组成的触发电路，其中同步信号为锯齿波的触发电路由于不受电网波动和波形畸变的影响，同时具有较宽的调节范围和较强的抗干扰能力，因而得到了广泛应用。输出可为双窄脉冲（适用于有两个晶闸管同时导通的电路），也可为单窄脉冲。由5个基本环节组成：同步环节；锯齿波形成及脉冲移相控制环节；脉冲形成、放大和输出环节；双脉冲形成环节和强触发环节。一、电路特点16图4-10同步信号为锯齿波的触发电路电路图17第三节同步电压为锯齿波的触发电路1.同步环节同步——要求触发脉冲的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。同步环节是由同步变压器Ts、晶体管V2、二极管VD1、VD2以及R1、C1组成。因此，要使触发脉冲与主电路电源同步，就是使V2开关的频率与主电路电源频率同步。18第三节同步电压为锯齿波的触发电路锯齿波是由开关V2管来控制的。

V2开关的频率就是锯齿波的频率——由同步变压器所接的交流电压决定。

V2由导通变截止期间产生锯齿波——锯齿波起点就是同步电压由正变负的过零点。

V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度——取决于充电时间常数R1C1。19第三节同步电压为锯齿波的触发电路2.锯齿波形成及脉冲移相控制环节

锯齿波电压形成的方案较多，如采用自举式电路、恒流源电路等；本电路采用恒流源电路，由V1、V9、RP1和R4组成。调节RP1可改变恒流源电流Ic1，从而改变锯齿波斜率。

当V2截止时，恒流源对C2充电：

当V2导通时，C2经R5、V2放电，放电很快。202.锯齿波形成及脉冲移相控制环节

如此，只要控制V2周期性地截止导通，就可使电容C2周期性地充放电。

V3为射极跟随器，起阻抗变换和前后级隔离的作用，以减小后级对锯齿波的影响。第三节同步电压为锯齿波的触发电路212.锯齿波形成及脉冲移相控制环节当ub4为负，V4截止；当ub4由零变正时，V4变为导通。

电压ue3，与外加控制电压Uc、偏移电压Ub，分别通过R7、R8、R9加至晶体管V4的基极。由电工学中的叠加原理，得到：第三节同步电压为锯齿波的触发电路222.锯齿波形成及脉冲移相控制环节

触发时，常将Ub调整为某一负固定值，这样使控制电压Uc为正，实现单极性调节。改变Uc时，改变了V4由截止转为导通的时刻，就是改变a角，实现移相控制。第三节同步电压为锯齿波的触发电路233.脉冲形成、放大和输出环节V4、V5、V6—脉冲形成V7、V8—脉冲放大，经TP二次侧输出第三节同步电压为锯齿波的触发电路243.脉冲形成、放大和输出环节第三节同步电压为锯齿波的触发电路253.脉冲形成、放大和输出环节脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数R14C3有关。电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出，其一次绕组接在V8集电极电路中，实现电气隔离。第三节同步电压为锯齿波的触发电路264.双脉冲形成环节第三节同步电压为锯齿波的触发电路■双窄脉冲形成环节◆内双脉冲电路：每个触发单元的一个周期内输出两个间隔60

的脉冲的电路。

◆V5、V6构成一个“或”门☞当V5、V6都导通时，V7、V8都截止，没有脉冲输出☞只要V5、V6有一个截止，都会使V7、V8导通，有脉冲输出。274.双脉冲形成环节第三节同步电压为锯齿波的触发电路■双窄脉冲形成环节

☞第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角

产生。隔60

的第二个脉冲是由滞后60

相位的后一相触发单元产生（通过V6）。◆在三相桥式全控整流电路中，器件的导通次序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，彼此间隔60

，相邻器件成双接通，所以某个器件导通的同时，触发单元需要给前一个导通的器件补送一个脉冲。284.双脉冲形成环节

第一个脉冲由本相触发单元的Uc对应的控制角

产生。

隔60

的第二个脉冲是由滞后60

相位的后一相触发单元产生（通过V6）。第三节同步电压为锯齿波的触发电路29五、强触发及脉冲封锁环节整流桥得到50V的直流电源。电容C5的作用是为了提高强触发脉冲前沿。第三节同步电压为锯齿波的触发电路30控制电压Uc与整流输出Ud之间不成线性关系。电路较复杂。优点触发电路抗干扰能力强，不受电网电压波动与波形畸变的影响。移相范围宽，应用较广。

缺点同步电压为锯齿波的触发电路特点：第三节同步电压为锯齿波的触发电路31第七节电力电子器件的保护■过电压分为外因过电压和内因过电压两类。■外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括

◆操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压。◆雷击过电压：由雷击引起的过电压。

电力电子装置中，为了避免器件及线路出现损坏，除元器件的选择必须合理外，还需要采取必要的保护措施。32第七节电力电子器件的保护■内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括

◆换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后，反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。

◆关断过电压：全控型器件在较高频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。

33第七节电力电子器件的保护图过电压抑制措施及配置位置F

避雷器D

变压器静电屏蔽层C

静电感应过电压抑制电容RC1

阀侧浪涌过电压抑制用RC电路RC2

阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路RV

压敏电阻过电压抑制器RC3

阀器件换相过电压抑制用RC电路RC4

直流侧RC抑制电路RCD

阀器件关断过电压抑制用RCD电路■过电压抑制措施及配置位置

◆各电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种。

◆RC3和RCD为抑制内因过电压的措施。

34第七节电力电子器件的保护图RC过电压抑制电路联结方式a)单相b)三相图反向阻断式过电压抑制用RC电路◆抑制外因过电压来采用RC过电压抑制电路。◆对大容量的电力电子装置，可采用图9-12所示的反向阻断式RC电路。◆采用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管（BOD）等非线性元器件来限制或吸收过电压也是较常用的措施。

35第七节电力电子器件的保护图过电流保护措施及配置位置■过流保护◆过电流分过载和短路两种情况。36第七节电力电子器件的保护■过电流保护措施及其配置位置

◆快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器是较为常用的措施，一般电力电子装置均同时采用几种过电流保护措施，以提高保护的可靠性和合理性。

◆通常，电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。

37第七节电力电子器件的保护◆快速熔断器（简称快熔）

☞是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。

☞选择快熔时应考虑

√电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。

√电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。

√快熔的t值应小于被保护器件的允许t值。

√为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间

电流特性。38第七节电力电子器件的保护

☞快熔对器件的保护方式可分为全保护和短路保护两种。

√全保护：过载、短路均由快熔进行保护，适用于小功率装置或器件裕度较大的场合。

√短路保护：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用。◆对重要的且易发生短路的晶闸管设备，或全控型器件，需采用电子电路进行过电流保护。◆常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，器件对电流的响应是最快的。39第七节电力电子器件的保护■缓冲电路（SnubberCircuit）又称为吸收电路，其作用是抑制电力电子器件的内因过电压、du/dt或者过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。■分类

◆分为关断缓冲电路和开通缓冲电路

☞关断缓冲电路：又称为du/dt抑制电路，用于吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。

☞开通缓冲电路：又称为di/dt抑制电路，用于抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。

☞复合缓冲电路：关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起。40第七节电力电子器件的保护

◆还可分为耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路

☞耗能式缓冲电路：缓冲电路中储能元件的能量消耗在其吸收电阻上。☞馈能式缓冲电路：缓冲电路能将其储能元件的能量回馈给负载或电源，也称无损吸收电路。

◆通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，而将开通缓冲电路区别叫做di/dt抑制电路。

41第七节电力电子器件的保护b)tuCEiCOdidt抑制电路时无didt抑制电路时有有缓冲电路时无缓冲电路时uCEiC图di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a)电路b)波形■缓冲电路

◆右图给出的是一种缓冲电路和di/dt抑制电路的电路图。

◆在无缓冲电路的情况下，di/dt很大，关断时du/dt很大，并出现很高的过电压，如图9-14b。◆在有缓冲电路的情况下

☞V开通时，Cs先通过Rs向V放电，使iC先上一个台阶，以后因为Li的作用，iC的上升速度减慢。

☞V关断时，负载电流通过VDs向Cs分流，减轻了V的负担，抑制了du/dt和过电压。

☞因为关断时电路中（含布线）电感的能量要释放，所以还会出现一定的过电压。

42第七节电力电子器件的保护ADCB无缓冲电路有缓冲电路uCEiCO图

关断时的负载线图

另外两种常用的缓冲电路a)RC吸收电路b)放电阻止型RCD吸收电路

◆关断过程

☞无缓冲电路时，uCE迅速上升，负载线从A移动到B，之后iC才下降到漏电流的大小，负载线随之移动到C。

☞有缓冲电路时，由于Cs的分流使iC在uCE开始上升的同时就下降，因此负载线经过D到达C。

☞负载线在到达B时很可能超出安全区，使V受到损坏，而负载线ADC是很安全的，且损耗小。◆另外两种常用的缓冲电路形式

☞RC缓冲电路主要用于小容量器件，而放电阻止型